Dr. David Henriques: Kems4Bats
Durch besseres Materialverständnis werden Lithium-Ionen-Batterien noch leistungsfähigerer und sicherer. Im Vorhaben Kems4Bats wird aus diesem Grund die Wärme- und Gasentwicklung als Materialeigenschaft erforscht. Mit diesem Wissen sollen in Zukunft leistungsstärkere Batterien für einen sicheren Gebrauch schneller entwickelt werden können.
Sei es in Laptops, Smartphones, Hochleistungswerkzeugen oder auch Elektroautos - Lithium-Ionen-Batterien kommen in vielen unterschiedlichen mobilen Geräten zum Einsatz. Somit sind leistungsfähige und sichere Lithium-Ionen-Batterien essenziell für den Ausbau der Elektromobilität. Die Anforderungen an neue Lithium-Ionen-Batterien sind hoch: Sie sollen eine hohe Zyklenfestigkeit und Energiedichte haben und sicher im Betrieb sein. Zudem sollen sie im ökonomischen und ökologischen Einklang hergestellt sein.
Die Wärme- und Gasentwicklung innerhalb der Batterie kann unterschiedliche Gründe haben. Einer davon ist die Bildung der sogenannten Solid-Electrolyte-Interface. Dies ist eine Schutzschicht an der Anode. Sie ist maßgeblich für die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Batterie verantwortlich. Auch Zersetzungsreaktionen der Batteriematerialien können zu einer starken Gas- und Wärmeentwicklung führen. Im schlimmsten Fall zum sogenannten Thermal Runaway, der die Batterie zerstört.
Das Forschungsvorhaben „Kems4Bats“ legt den Schwerpunkt darauf, die Gas- und Wärmeentwicklung für zukünftige Batteriematerialien der Elektromobilität als Materialeigenschaft zu bestimmen. Ziel ist es, bekannte thermische und elektrochemische Standardmethoden mit der Batteriekalorimetrie und der Knudsen-Effusionsmassenspektrometrie (Kems) neu zu kombinieren. Durch die weiterentwickelte Kems-Methodik lassen sich zukünftig grundlegende Werkstoffeigenschaften besser bestimmen und chemisch-physikalische Prozesse wie Phasenumwandlungen, Zersetzungsreaktionen und deren Kinetik unter Anwendung von innovativen experimentellen Analysemethoden besser verstehen. Das thermische und chemische Verhalten von Batterien kann in einem Modell für die Gas- und Wärmeentwicklung beschrieben werden und ermöglicht Simulationen für größere (18650-)Pouch-Zellen. Kems4Bats untersucht den Degradationsmechanismus von Batteriematerialien unterschiedlichster Materialchemie und (Mikro-)Nanostrukturierung, die potenziell geeignet sind für das High Power Charging, also das Aufladen einer Batterie innerhalb von 15 min bei gleichzeitig erhöhter Energiedichte und Langlebigkeit.
Für eine nachhaltige und breite industrielle Anwendung der Forschungsergebnisse wird eine sehr umfangreiche Materialdatenbank erstellt, die eine Datenauswertung mit Methoden aus Big Data und künstlicher Intelligenz ermöglicht und computergestützte Materialsimulationen ermöglicht.
In ihrem Forschungsvorhaben steht die Nachwuchsgruppe von Herrn Dr. Henriques in direktem Austausch mit mehreren Unternehmen. Sie könnten die Erkenntnisse aus Kems4Bats etwa in die Auslegung vom Thermal-Management-Systemen einfließen lassen oder für die Entwicklung von sicheren Batteriecontainern nutzen. Für den Automobilstandort Deutschland hat das Projekt „Kems4Bats - Untersuchung der Gas-Wärmeentwicklung für zukünftige Batteriematerialien der Elektromobilität mittels KEMS und Kalorimetrie“ einen konkreten Mehrwert: Unternehmen werden in wenigen Jahren etablierte neue Messmethoden zur Verfügung stehen. Dadurch ergibt sich für sie ein Wettbewerbsvorteil in der Charakterisierung und Entwicklung sicherer und leistungsfähigerer Batteriematerialien.
Die Nachwuchsgruppe wird am interdisziplinär ausgerichteten Kompetenzzentrum Chemometriegestützte Analyse und Optimierung von Prozessen und Materialien (CHARiSMA) der Hochschule Mannheim angesiedelt. Dort profitiert sie durch die intensive Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen und die Kombination von neuer innovativer Analytik mit intelligenter, multivariater Datenanalyse. Zudem wird eng mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT – IAM-AWP) zusammengearbeitet.
Die Erkenntnisse fließen aber auch in die Lehre an der Hochschule Mannheim ein. Hierzu bietet Herr Dr. Henriques bereits ein spezielles Wahlfach für die Studierenden der Hochschule Mannheim an. Ergänzt wird es durch Fachvorträge von Mitgliedern des industriellen Beirats, der das Vorhaben begleitet.
Nachwuchsgruppenleiter Dr. David Henriques
Herr Dr. Henriques studierte Verfahrens- und Umwelttechnik an der HTWG Konstanz und Werkstoffingenieurwesen an der RWTH Aachen. Mit Materialforschung für Werkstoffe für die Energietechnik beschäftigte er sich unter anderem intensiv am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und während eines Aufenthaltes am Energy Engineering Research Laboratory in Yokosuka (Japan). Thermodynamische Eigenschaften an neuen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien standen im Fokus seiner Promotion am Forschungszentrum Jülich. Von dort wechselte er im April 2015 an das Institut für angewandte Thermo- und Fluiddynamik der Hochschule Mannheim. Seit Oktober 2020 leitet er die „NanoMatFutur“ Nachwuchsgruppe „Kems4Bats: Untersuchung der Gas-Wärmeentwicklung für zukünftige Batteriematerialien der Elektromobilität mittels Kems und Kalorimetrie“.